第五代移动通信参数化信道建模与仿真技术研究

摘要

第五代（Fifth-Generation，5G）移动通信系统除了满足传统的连续广域覆盖外，还要实现未来物联网中的万物互联，其用户体验速率、流量密度、时延、能效等成为不同应用场景的主要性能指标。大规模天线等高效的传输的和超密集组网等技术离不开对5G信道传播特性和模型的深刻认知。和4G相比，5G信道模型在频率一致性、空时连续性等方面提出了更高要求。为适应5G信道模型标准化，传输新技术的评估和系统设计的需要，本文基于5G候选频段和典型场景开展了信道测试、建模和仿真研究工作。论文的主要研究内容和创新点包括:
　　(1)毫米波重点频段室外微蜂窝场景信道建模与仿真
　　基于Keysight先进的时域信道探测平台，在26、32和39GHz频段开展了室外微蜂窝场景信道测试。结合毫米波信道测试系统特点和大量的测试数据，研究了路径损耗、参数提取、分簇、莱斯因子的计算和建模方法。利用空间交替广义期望最大化算法提取信道参数，较为全面地研究了信道特性，对比研究了参数化和非参数化建模结果，分析了环境因素对信道特征参数的影响，研究了5G毫米波新频段的传播规律，并建立了信道的统计模型。基于所建的模型和参数以及3GPPa（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）和ITU（International Telecommunication Union，国际电信联盟）推荐的QuaDRiGa（Quasi-Deterministic Radio Channel Generator，准确定性无线信道仿真器）平台，开展了信道参数统计特性和时间演进特性的仿真验证研究，验证了QuaDRiGa平台在毫米波频段信道仿真的准确性。
　　(2)市区微蜂窝时变信道建模与仿真
　　为解决传统GBSM（Geometry-Based Stochastic Channel Model，基于几何基础的随机统计模型）模型空时连续性差的缺陷，建立一种新颖的基于多径生灭的动态时变模型，模型在保持传统GBSM统计特性的同时，又具备了较好的空时连续性。基于2.55GHz市区微蜂窝MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多入多出）信道测试数据，研究建立了时变信道模型，给出了详细的模型参数和仿真实现步骤。通过对比实测数据和仿真结果的时变PDP(Power Delay Profile，功率时延谱)和信道特征参数统计分布，验证了模型的正确性。
　　(3)基于神经网络的时变信道建模研究
　　基于机器学习理论，建立一种新颖的基于人工神经网络的时变信道模型。利用径向基函数神经网络对毫米波实测信道的大尺度衰落和联合小尺度信道参数建模，以重现时变信道大尺度和小尺度衰落特性，使模型具有很好的空时一致性。结果表明，该模型产生信道数据的大尺度和小尺度参数均能很好地回放实测信道。
　　(4)D2D信道特性与建模研究
　　基于室内宽带D2D（Device-to-Device，设备对设备）MIMO信道测试数据，研究了收发终端一端和两端移动情况下接收信号幅度的分布规律，建立一种新颖的双瑞利和多重瑞利联合分布模型。使用SAGE算法提取信道参数，研究水平面和垂直面到达角和离开角的角度分布及相关性，并在此基础上推导了D2D信道多普勒谱的解析表达式，研究了2D和3D的多普勒功率谱模型。开展了D2D信道与传统F2M（Fix-to-Mobile，固定对移动）信道参数统计特性对比研究。结果表明，D2D信道的接收信号幅度在视距和非视距情形下，分别服从瑞利分布和瑞利-双瑞利联合等分布。
　　(5)高铁候车厅场景毫米波大规模天线信道特性研究
　　针对高铁候车厅场景，在国内首次采用阵列天线在28GHz开展了信道测量，研究了采用阵列天线和虚拟大规模阵列天线时多径分布特性和信道参数统计特性，给出了初步的建模结果。研究表明，随着天线单元数增加，多径的空间分辨率显著提高，而簇的数量基本保持不变。时延扩展呈减小趋势，角度扩展呈增大趋势。

目录

声明

摘要

常用缩略语

1．1 研究背景与意义

1．1．1 5G带来的机遇和挑战

1．1．2 5G毫米波信道测量、建模研究的意义

1．1．3 D2D信道建模研究意义

1．1．4 时变信道建模研究意义

1．2 5G信道参数化建模与仿真研究现状

1．2．1 毫米波参数化信道建模与仿真研究现状

1．2．2 D2D信道建模研究现状

1．2．3 时变信道建模研究现状

1．2．4 现有研究工作的不足

1．3 论文主要工作和创新

1．4 论文组织结构

2．1 引言

2．2 信道探测技术

2．3 信道探测平台

2．3．1 Elektrobic Propsound时域信道探测仪

2．3．2 Keysight 5G时域信道探测仪

2．4 天线

2．5 信道冲激响应

2．6 本章小结

第3章 5G参数化信道建模与仿真方法论

3．1 引言

3．2 高精度信道参数提取方法

3．2．1 信号模型

3．2．2 喇叭天线旋转测试的全向PDP合成

3．2．3 多径小尺度参数估计

3．2．4 结论

3．3 GBSM参数化信道统计建模与仿真

3．3．1 路径损耗与阴影衰落

3．3．2 GBSM小尺度衰落模型

3．3．3 时延域参数

3．3．4 角度域参数

3．3．5 莱斯因子

3．3．6 簇与簇参数

3．3．7 QuaDRiGa漂移模型

3．3．8 结论

3．4 多径生灭动态时变信道建模方法

3．4．1 多径生灭动态时变信道架构

3．4．2 多径参数的提取与动态多径的识别与跟踪

3．4．3 结论

3．5 人工神经网络时变信道建模方法

3．5．1 人工神经网络时变信道建模与仿真架构

3．5．2 信道参数训练与回放

3．5．3 结论

3．6 本章小结

第4章 室外场景5G信道建模与仿真研究

4．1 毫米波重点频段宽带无线信道特性与建模研究

4．1．1 引言

4．1．2 信道测试

4．1．3 大尺度衰落特性分析与建模

4．1．4 信道快衰落特性分析与建模

4．1．5 信道模型参数总结与频率一致性分析

4．1．6 总结

4．2 市区微蜂窝三维宽带时变信道特性分析与建模研究

4．2．1 引言

4．2．2 信道测试

4．2．3 多径的生灭过程建模

4．2．4 多径的初始参数建模

4．2．5 多径的时间演进建模

4．2．6 时变信道模型的仿真与验证

4．2．7 总结

4．3 QuaDRiGa平台毫米波信道仿真与验证研究

4．3．1 引言

4．3．2 信道仿真参数

4．3．3 毫米波信道参数仿真验证

4．3．4 毫米波时间演进特性仿真验证

4．3．5 毫米波3D MIMO信道容量分析

4．3．6 总结

4．4 基于神经网络的时变信道建模研究

4．4．1 引言

4．4．2 大尺度衰落特性神经网络建模结果与分析

4．4．3 联合小尺度参数神经网络建模结果与分析

4．4．4 总结

4．5 本章小结

第5章 室内场景5G信道特性分析与建模研究

5．1 D2D MIMO信道特性与建模研究

5．1．1 引言

5．1．2 信道测试

5．1．3 D2D信道接收信号幅度分布

5．1．4 D2D信道多普勒功率谱

5．1．5 MIMO信道特征参数分析

5．1．6 总结

5．2 高铁候车厅场景毫米波大规模天线信道特性研究

5．2．1 信道测试

5．2．2 信道簇的特性

5．2．3 信道参数统计特性

5．2．4 总结

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 论文工作总结

6．2 前景与展望

附录

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介